變化環(huán)境下河川徑流中長期規(guī)律與預測研究——以陜西省典型流域為例.pdf

1、近年來，在氣候變化和人類活動的影響下，我國許多河流的水文情勢都發(fā)生了強烈變化，引發(fā)了一系列如水資源短缺、水污染、水生態(tài)惡化、泥沙淤積等問題，極大地影響了區(qū)域社會經(jīng)濟的良性發(fā)展。因此深入認識河川徑流的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，掌握區(qū)域水資源發(fā)展的動態(tài)，對區(qū)域水資源規(guī)劃及管理、水利工程設計以及滿足人類需求與生態(tài)系統(tǒng)的水平衡都極為重要。
　　眾所周知，受氣候條件以及下墊面條件復雜性的影響，天然狀態(tài)下的水文過程復雜多變，表現(xiàn)出了高度的非線性、非平穩(wěn)

2、性以及多時間尺度特征。而在人類活動的強烈擾動下，河川徑流的復雜性日趨加深，這給我們科學、準確地認識河川徑流變化帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文以陜西省典型流域為研究區(qū)域，應用多種非線性分析方法和非平穩(wěn)數(shù)據(jù)處理方法對陜南的漢江流域、關中的渭河流域以及陜北的無定河流域徑流序列的水文變異規(guī)律、多尺度時間特征、與氣候因子的響應等問題開展了研究，分析其在空間上的變化規(guī)律，并構(gòu)建了中長期水文預測模型，對陜西省河川徑流演變趨勢進行了外推分析。其主要研究內(nèi)容及所

3、得結(jié)論如下：
　?。?）水文變異診斷。根據(jù)謝平等提出的水文變異診斷方法，從初步診斷、詳細診斷以及綜合診斷三方面角度出發(fā)，對陜北黃土區(qū)、關中平原區(qū)以及陜南漢江山地區(qū)的河川徑流進行變異分析。①初步診斷：分別采用過程線法、累積曲線斜率法和Hurst系數(shù)法對研究區(qū)各徑流序列進行初步分析，判斷徑流變異是否存在；②詳細診斷：通過相關系數(shù)法、斯皮爾曼秩次相關檢驗以及肯德爾秩次相關檢驗法對序列進行趨勢變異檢驗；采用里海哈林檢驗法、有序聚類法、最優(yōu)

4、信息法以及 Brown-forsythe檢驗法和Mann-kendall檢驗法對序列進行跳躍變異檢驗，得到的各站徑流序列的變異形式及位置。③綜合診斷：綜合趨勢與跳躍變異分析結(jié)果，通過效率系數(shù)最終確定變異結(jié)論。通過診斷分析，發(fā)現(xiàn)陜西省在地域分布上，水文變異表現(xiàn)為從南至北逐漸增強的趨勢，具體結(jié)論如下：陜南漢江流域徑流過程無明顯變異；關中渭河流域有變異發(fā)生；陜北無定河流域變異極其顯著。通過進一步分析，發(fā)現(xiàn)水文變異的原因構(gòu)成并不相同，渭河流域變

5、異由氣候原因與人類活動共同影響，但人類影響為絕對主因；而無定河流域徑流的顯著變異雖受人類活動影響更強烈，但降雨等氣候因素也不容忽視，應系兩者共同作用的結(jié)果。
　?。?）多尺度時間特征。徑流序列的演變過程復雜多變，隨機性強，但其中存在規(guī)律性的周期變化成分。本研究通過小波變換與希爾伯特黃（HHT）變換兩種方法，對研究區(qū)域內(nèi)徑流序列的確定性周期成分進行研究，分析對比了其多時間尺度特征。研究結(jié)果表明，兩種方法由于基于的理論基礎不同，所得結(jié)

6、論也略有差異。HHT的檢測結(jié)果顯示：陜南漢江山地、關中平原以及陜北黃土區(qū)均存在2-4年、6-8年的小尺度徑流周期，9-13年中尺度周期以及24-28年大尺度周期。而小波分析方法所得結(jié)果則規(guī)律更明確，更穩(wěn)定。結(jié)果顯示，陜南、關中以及陜北地區(qū)周期變化較為接近，尤其在3-4年和8-9年的中小時間尺度上；在較大的時間尺度上，三個地區(qū)則有所區(qū)別，關中地區(qū)的徑流周期波動（23-25年）略短于陜南與陜北地區(qū)（27-28年）。從方法上看，筆者認為HHT

7、的分解結(jié)果更為細致，結(jié)果也更為貼近事實，這與不同地區(qū)產(chǎn)匯流條件不同所導致的周期變化的差異性是相一致的。而小波分析受到傅里葉變換和先驗分析的影響，所得結(jié)果皆比較接近。同時，在時域研究中發(fā)現(xiàn)，短周期在早期能量較為強烈，表現(xiàn)較為顯著，隨著人類活動影響的加劇，短周期在時域上逐漸趨弱甚至消失，而23-28年則開始在河川徑流中起主導作用。這是人類活動影響下，水文多尺度時間特征出現(xiàn)的一些新變化，可能對未來區(qū)域或流域的水文過程產(chǎn)生影響，應引起管理部門的

8、注意。
　?。?）徑流演變與氣候因子的響應關系。從大尺度的物理成因看，徑流演變的周期性成分主要決定于氣候變化。故為進一步揭示徑流演變的變化機制，本研究面向可以表征全球氣候變化的ENSO事件，通過交叉小波變換法與凝聚譜方法，分析徑流規(guī)律與氣候變遷的相關性，從驅(qū)動因素上分析徑流的周期演變機理。結(jié)果表明：70年代以前各站徑流與ENSO指數(shù)（MEI指數(shù)）在小尺度2-4年周期上均存在著顯著的負相關，而從70年代開始，由于人類活動的影響，徑流

9、與ENSO指數(shù)的相關性變得復雜。
　?。?）徑流的中長期預測。由于徑流受到氣候變化和人類活動的雙重影響，逐漸從一個不受外界干擾的平穩(wěn)過程變?yōu)橐粋€復雜的非平穩(wěn)線性過程，因而將序列平穩(wěn)化或采用非線性的分析方法成為必由之路。所以本研究建立了基于EMD的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型解決徑流時間序列的預測問題。經(jīng)驗模態(tài)分解法（EMD）將實測徑流序列分解為幾個相對平穩(wěn)的IMF分量和1個趨勢項成分，在此基礎上建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，通過誤差分析和

10、檢驗，確定模型精度滿足要求，進行徑流的中長期預測。預測結(jié)果顯示，未來陜南地區(qū)徑流過程將保持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)；而關中和陜北的徑流則會持續(xù)目前的下降趨勢。
　?。?）水文規(guī)律的空間分布。由于氣候條件、地形、地貌、水文地質(zhì)條件等方面的差異，陜北、關中、陜南地區(qū)的中長期水文規(guī)律也不盡相同。具體表現(xiàn)為：①水文變異的強度呈現(xiàn)一個由南到北逐漸增強的趨勢；②多尺度時間特征上，影響徑流變化的主周期表現(xiàn)為南北短，中間長的基本規(guī)律；③與氣候因子的響應